La possibilità di personalizzare le caratteristiche di propagazione delle onde elettromagnetiche è un'esigenza fondamentale per un'ampia varietà di applicazioni pratiche, sia a frequenze ottiche che a microonde. Nell'intervallo di frequenze delle microonde, l'approccio più comune a questo scopo si basa sull'utilizzo di array fasati, il cui diagramma di radiazione può essere personalizzato agendo sull'ampiezza e sulla fase delle eccitazioni degli elementi di antenna che li costituiscono. Al contrario, a frequenze ottiche, la manipolazione dell'ampiezza, della fase e/o della polarizzazione di un fascio luminoso veniva tipicamente effettuata sfruttando il percorso di propagazione all'interno di componenti piuttosto ingombranti. Con l'avvento delle metasuperfici (MTS), ovvero array di particelle elettricamente piccole, è emerso un nuovo paradigma per strutturare a piacimento un fascio elettromagnetico. Infatti, lo sfasamento, l'ampiezza e la risposta di polarizzazione di una MTS possono essere controllati localmente su una scala di frequenze per modellare il campo riflesso/trasmesso complessivo in modo pressoché arbitrario.
Sebbene si preveda che gli MTS svolgeranno un ruolo fondamentale e senza precedenti in molti settori della fisica e delle applicazioni industriali (ad esempio, sistemi di comunicazione 5G e superiori, teranostica biomedica, IoT, guida autonoma e ambienti intelligenti), presentano ancora diverse importanti limitazioni che ne impediscono la diffusione in scenari pratici.
Innanzitutto, la progettazione degli MTS viene in genere eseguita considerando condizioni di eccitazione ideali (eccitazione a onda piana, incidenza quasi ortogonale, condizioni di campo lontano, ecc.), che sono piuttosto lontane da quelle che si possono trovare in scenari realistici. D'altra parte, quando si considerano condizioni di eccitazione più realistiche, la progettazione si basa principalmente su strategie di ottimizzazione numerica complesse e dispendiose in termini di tempo, applicabili solo a scenari semplici e idealizzati e che spesso portano a progetti non ottimali. Le problematiche sopra menzionate sono ancora più critiche quando la risposta degli MTS deve essere controllata in tempo reale per adattarne il comportamento ai rapidi cambiamenti degli ambienti operativi, come esplicitamente richiesto dallo standard dei moderni sistemi wireless.
L'obiettivo generale di questo progetto è quello di studiare soluzioni innovative per superare la maggior parte delle limitazioni che caratterizzano i metaatomi a microonde delle MTS e di applicarle alla progettazione di componenti a microonde pronti per l'uso. L'idea fondamentale è quella di sviluppare strumenti più accurati ed efficaci per la modellazione fisica e la progettazione di MTS, che consentano di implementare dispositivi basati su MTS con nuove funzionalità e prestazioni migliorate. In particolare, la modellazione EM dei metaatomi sarà arricchita tenendo conto di alcuni fenomeni fisici (ad esempio, dispersione spaziale, disadattamento di impedenza dovuto alla non-località, risposta multipolare dei metaatomi, ecc.) finora trascurati e che svolgono un ruolo cruciale nella maggior parte degli scenari applicativi. Parallelamente, il progetto mira a costruire un paradigma di progettazione radicalmente nuovo basato sullo scattering inverso e in grado di tenere pienamente conto delle complesse condizioni di eccitazione che si applicano in scenari realistici. La combinazione di questi due approcci consentirà inoltre di definire strategie di implementazione più pratiche ed efficaci per riconfigurare il comportamento dei metaatomi e reagire in tempo reale ai mutevoli ambienti operativi.
I risultati del progetto saranno misurati attraverso l'applicazione di queste soluzioni per l'implementazione di alcuni dispositivi basati su MTS a microonde, pronti per l'uso. Le soluzioni migliori in termini di semplicità di fabbricazione e progettazione